Ti55531鈦合金消除應力退火工藝研究

李 博，周發斌

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200)

Ti55531鈦合金是一種新型高強高韌β型合金，其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。該合金與Ti-1023合金相比，其冶煉、加工成本低，不會產生明顯的成分偏析，且具有強度優異和斷裂強度高等優點，擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，特別適合制造必須承受巨大應力的零部件，比較適用于結構件和起落架、機翼、發動機掛架之間連接裝置等，在航空航天工業中日益受到青睞[1-3]。

中航飛機起落架有限責任公司新研制的某型機起落架零件——車架橫梁，采用了Ti55531鈦合金材料作為重要承力件，尚屬國內首次應用，基于零件加工需求及國內對Ti55531鈦合金消除應力退火工藝未見公開報道，本工作重點研究了溫度、時間對Ti55531消除應力程度的影響，并與成熟的TC18鈦合金材料進行了對比，最終確定了Ti55531鈦合金消除應力的最佳工藝參數。

1 工藝試驗

1.1 試件

試件材料為國產Ti55531鈦合金，其化學成分見表1。試件規格如圖1所示，表面粗糙度

1.2 保護涂料

鈦合金非常活潑，在熱處理過程中很容易受到氫、氧、氮等元素的污染。鈦與氧作用會生成氧化膜，氧化膜向內擴散形成塑性很差的富氧α相層；吸氫后容易導致氫含量超標，留下氫脆隱患[4-5]。標準規定熱處理可選用真空爐、可控氣氛爐或涂料(Ti-1#和Ti-3#)保護法3種方式之一，本研究選用涂料保護后進行退火熱處理。

表1 Ti55531鈦合金化學成分(質量分數) (%)

圖1 試件規格

1.3 工藝試驗

按不同工藝參數分別對試件進行退火處理，在試件長度方向選取不同點用殘余應力測試儀檢測應力；用拉伸試驗機WDW-500測試抗拉強度；用氫含量測試儀ONH836檢測氫含量；用金相顯微鏡BX41M檢測富氧α相，并做好記錄。

1.3.1 不同溫度下的退火試驗

1)固定退火時間3 h，采用空冷的冷卻方式。對試件分別在700、680、660、640、620和600 ℃條件下，退火處理并進行相關檢測，數據記錄見表2和表3。

表2 應力檢測結果

表2和表3結果表明，氫含量、富氧α相均符合標準要求；應力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為220.4～238.7 MPa；抗拉強度為1 240～1 320 MPa，其中部分超出標準要求。

2)固定退火時間3 h，采用空冷的冷卻方式。對試件分別在580、560、540、520、500和480 ℃條件下，退火處理并進行相關檢測，數據記錄見表4和表5。

表3 富氧α相和氫含量測試結果

表4 應力檢測結果

表5 富氧α相和氫含量測試結果

表4和表5結果表明，抗拉強度為1 220～1 250 MPa；氫含量、富氧α相均符合標準要求；應力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為178.5～210.4 MPa。

3)固定退火時間3 h，采用空冷的冷卻方式。對試件分別在440、420、400、380和360 ℃條件下，退火處理并進行相關檢測，數據記錄見表6和表7。

表6 應力檢測結果

表7 富氧α相和氫含量測試結果

表6和表7結果表明，抗拉強度為1 220～1 240 MPa；氫含量、富氧α相均符合標準要求；應力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為145.1～168.4 MPa，消除應力程度最低。

4)不同溫度對抗拉強度及應力消除程度的影響分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度對抗拉強度的影響

由圖2和圖3可知，選擇500～640 ℃消除應力退火時，既能保證Ti55531鈦合金材料退火后的抗拉強度完全合格，又能保證消除應力程度適中。

圖3 不同溫度對應力消除的影響

1.3.2 不同退火時間下的工藝試驗

固定退火溫度為500～640 ℃區間內任意一點，例如580 ℃，退火時間分別按0.5 h、1 h、2 h、3 h、…、8 h進行試驗，檢測結果見表8。應力消除程度隨著時間的變化曲線如圖4所示。

表8 應力、富氧α相和氫含量檢測結果

圖4 不同時間應力消除程度

表8結果表明，富氧α相、氫含量均符合標準要求。由圖4可知，同種規格下，應力消除程度隨著時間的增加，程度較明顯，但時間超過3 h后，應力消除量趨于平穩，故該材料消除應力時間≥3 h。

1.3.3 Ti55531與TC18 M對比試驗

用近β型鈦合金中較為成熟的材料TC18 M與Ti55531進行對比，分別在640、620、600、580、540、520和500 ℃條件下退火3 h，空冷。TC18 M退火前f1=920.8 MPa，退火后應力f2檢測結果見表9。

表9 TC18 M退火后應力測試結果

2 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)在消除應力時間相同的條件下，相對較高的溫度有利于Ti55531鈦合金應力的消除。

2)在溫度相同的條件下，延長時間有利于應力的消除，但時間超過某點時，消除程度明顯減緩。

3)Ti55531鈦合金退火消除應力的最佳溫度為500～640 ℃，時間≥3 h。